專家顧問:中國科學(xué)院大氣物理研究所研究員夏祥鰲、副研究員施紅蓉,國家衛(wèi)星氣象中心高級工程師高玲
碳中和目標(biāo)背景下,加快發(fā)展光伏發(fā)電等可再生能源是我國構(gòu)建清潔低碳、安全高效能源體系的重大舉措,未來光伏等新能源在能源結(jié)構(gòu)中的占比將顯著增加。我國的太陽能總輻射資源豐富,高效利用太陽能資源離不開對其分布的準(zhǔn)確評估。
中國科學(xué)院大氣物理研究所聯(lián)合哈爾濱工業(yè)大學(xué)和國家衛(wèi)星氣象中心,利用風(fēng)云四號A星(FY-4A)光譜成像儀數(shù)據(jù),基于機(jī)器學(xué)習(xí)方法和光伏模型鏈,首次估算了中國地區(qū)光伏有效輻射資源分布情況,為太陽能資源評估提供了新的技術(shù)手段。
風(fēng)云四號氣象衛(wèi)星帶來數(shù)據(jù)新突破
太陽能資源評估主要依賴太陽輻射數(shù)據(jù)。“目前,太陽輻射數(shù)據(jù)主要來源分為三類,包括地面氣象站點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)、再分析資料和衛(wèi)星遙感反演資料。”施紅蓉介紹,地面站點(diǎn)可提供長期且精度較高的觀測數(shù)據(jù),但由于站點(diǎn)分布較稀疏,觀測數(shù)據(jù)的空間覆蓋嚴(yán)重缺失;再分析資料可提供時空覆蓋完整的全球格點(diǎn)化數(shù)據(jù),但時空分辨率不高,不能滿足太陽能資源精細(xì)評估所要求的數(shù)據(jù)需求;太陽輻射數(shù)據(jù)效果最好的就是衛(wèi)星遙感反演資料,它可以提供全球范圍的數(shù)據(jù),且時空分辨率較高。
我國新一代靜止氣象衛(wèi)星風(fēng)云四號的發(fā)射給太陽能監(jiān)測和預(yù)報提供了新的觀測手段。其中,風(fēng)云四號衛(wèi)星搭載的光譜成像儀顯著提升了光譜、時間和空間分辨率,可反演獲得公里/分鐘級地表太陽輻射,完美解決了日本葵花衛(wèi)星Himawari-8和歐洲Meteosat-9在中國地區(qū)不完全覆蓋和衛(wèi)星觀測邊緣精度下降的問題。
機(jī)器學(xué)習(xí)帶來方法新發(fā)展
當(dāng)前,針對衛(wèi)星遙感資料反演地面輻射的方法一般分為物理方法和經(jīng)驗方法,前者極度依賴氣溶膠和云特征反演的準(zhǔn)確性,后者則本質(zhì)上為回歸算法。機(jī)器學(xué)習(xí)方法近年來被廣泛應(yīng)用于回歸問題,相比于傳統(tǒng)回歸算法,其能夠挖掘更為復(fù)雜的回歸關(guān)系。研究團(tuán)隊在進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)時融合了中國氣象局和中國科學(xué)院太陽輻射觀測站點(diǎn)的數(shù)據(jù),增大了機(jī)器學(xué)習(xí)的目標(biāo)學(xué)習(xí)樣本,這也是推動技術(shù)研發(fā)的一大特點(diǎn)。
光伏有效輻射資源分布圖帶來產(chǎn)品新提升
基于新數(shù)據(jù)采用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法,研究團(tuán)隊最終獲得了4公里-15分鐘時空分辨率的中國光伏資源地圖,為光伏資源開發(fā)利用和規(guī)劃布局提供了全新的高精度產(chǎn)品。
當(dāng)前,我國太陽能資源分布不均勻,總體呈“高原大于平原、西部干燥區(qū)大于東部濕潤區(qū)”的特點(diǎn)。其中,青藏高原最為豐富,四川盆地光伏資源相對缺乏。從年平均光伏資源分布結(jié)果來看,在西部大部分地區(qū),年平均有效輻照度超過1700千瓦時/平方米,其中西藏的年平均有效輻照度最高,約為2000千瓦時/平方米;東部地區(qū)的年有效輻照度僅為1300–1500千瓦時/平方米,太陽能資源最貧乏的地區(qū)是四川盆地,每年不足1100千瓦時/平方米。
太陽能短臨預(yù)報面臨的新挑戰(zhàn)
光伏太陽能的間接性和不穩(wěn)定性是太陽能并網(wǎng)利用中的一道難題。到達(dá)地表的太陽光極易受到云等天氣的影響,進(jìn)而影響光伏輸出功率,使其呈現(xiàn)顯著波動。
除了發(fā)展新能源儲能等技術(shù)之外,發(fā)展太陽能短臨預(yù)報技術(shù)可以提供準(zhǔn)確的太陽輻射預(yù)報,是提高太陽能利用率的有效途徑。夏祥鰲介紹,研究團(tuán)隊前期通過風(fēng)云四號光譜成像儀數(shù)據(jù),建立了太陽輻射短臨預(yù)報系統(tǒng),其核心技術(shù)是通過預(yù)測云運(yùn)動矢量,預(yù)報未來3小時內(nèi)地表太陽輻射場。結(jié)果表明,預(yù)測值和觀測值在時空分布較為接近,在華北地區(qū)具備良好的適用性。
風(fēng)云氣象衛(wèi)星在太陽能資源評估和預(yù)報中的廣闊應(yīng)用前景,將促進(jìn)我國光伏太陽能能源發(fā)展和利用。光伏太陽能資源估算技術(shù)也將依托衛(wèi)星遙感技術(shù)提升時空分辨率,并融合衛(wèi)星遙感、氣象觀測和數(shù)值模擬數(shù)據(jù)等不同數(shù)據(jù)源,獲得更高精度的數(shù)據(jù)產(chǎn)品。
原標(biāo)題:中國高分辨率光伏資源估算成果實現(xiàn)新突破